CN107868943A - 一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用 - Google Patents

一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用 Download PDF

Info

Publication number
CN107868943A
CN107868943A CN201610857558.0A CN201610857558A CN107868943A CN 107868943 A CN107868943 A CN 107868943A CN 201610857558 A CN201610857558 A CN 201610857558A CN 107868943 A CN107868943 A CN 107868943A
Authority
CN
China
Prior art keywords
vanadium oxide
oxide film
crystalline state
annealing
minutes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610857558.0A
Other languages
English (en)
Inventor
黄美东
张鹏宇
张建鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Tianjin Normal University
Original Assignee
Tianjin Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin Normal University filed Critical Tianjin Normal University
Priority to CN201610857558.0A priority Critical patent/CN107868943A/zh
Publication of CN107868943A publication Critical patent/CN107868943A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5806—Thermal treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C23C14/083—Oxides of refractory metals or yttrium

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

本发明公开了一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用，一种晶态氧化钒薄膜，利用磁控溅射方法制备出的氧化钒薄膜为原料，在箱式炉中对氧化钒薄膜进行热处理，氧化钒薄膜经退火后自然冷却至室温20～25℃即可得到结构致密均匀的所述的晶态氧化钒薄膜，热处理时用到的箱式炉处于一个标准大气压和室温20～25℃条件的环境中；进行热处理时，自室温20～25℃下以3℃～5℃/分钟的升温速度升温至退火温度，退火温度为300℃～600℃，退火时间为20分钟～80分钟。本发明解决了非晶态氧化钒薄膜不透明的问题，经测试，透射率平均值可达50％以上(优选60—85％)，可应用于可见及近红外光学器件。

Description

一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器 件中的应用
技术领域
本发明属于近红外光学器件领域，涉及一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用。
背景技术
钒的氧化物体系十分复杂，拥有丰富的相变反应，相变前后材料的晶体结构、光学性质、电阻率等均会发生明显变化，通常具有从高温金属相到低温半导体相的转变特性。目前氧化钒薄膜的制备方法主要有电化学沉积、溶胶-凝胶、蒸发、溅射、脉冲激光沉积等，沉积的氧化钒薄膜一般呈非晶态，且室温下在可见光及近红外波段的透光率很低，因而很难直接用于可见及近红外光学器件。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用。
本发明是通过以下技术方案加以实现的：一种晶态氧化钒薄膜，利用磁控溅射方法制备出的氧化钒薄膜为原料，在箱式炉中对氧化钒薄膜进行热处理，氧化钒薄膜经退火后自然冷却至室温20～25℃即可得到结构致密均匀的所述的晶态氧化钒薄膜，热处理时用到的箱式炉处于一个标准大气压和室温20～25℃条件的环境中；进行热处理时，自室温20～25℃下以3℃～5℃/分钟的升温速度升温至退火温度，退火温度为300℃～600℃，退火时间为20分钟～80分钟。
而且，制备氧化钒薄膜时，样品基底分别选用光学玻璃或者硅片，光学玻璃为长为3cm，宽为3cm的K9双面抛光玻璃片，硅片为单晶硅片。
而且，制备氧化钒薄膜时，本底真空度3～3.5×10-4Pa，溅射电压200～220V，溅射束流2A，溅射能量400～450W，制备过程中通入纯度99.99％的高纯氩气，沉积时间为0.8～1.5小时。
而且，热处理时，退火温度为400～500℃，退火时间为20～40分钟。
一种晶态氧化钒薄膜的制备方法，利用磁控溅射方法制备出的氧化钒薄膜为原料，在箱式炉中对氧化钒薄膜进行热处理，氧化钒薄膜经退火后自然冷却至室温20～25℃即可得到结构致密均匀的所述的晶态氧化钒薄膜，热处理时用到的箱式炉处于一个标准大气压和室温20～25℃条件的环境中；进行热处理时，自室温20～25℃下以3℃～5℃/分钟的升温速度升温至退火温度，退火温度为300℃～600℃，退火时间为20分钟～80分钟。
而且，制备氧化钒薄膜时，样品基底分别选用光学玻璃或者硅片，光学玻璃为长为3cm，宽为3cm的K9双面抛光玻璃片，硅片为单晶硅片。
而且，制备氧化钒薄膜时，本底真空度3～3.5×10-4Pa，溅射电压200～220V，溅射束流2A，溅射能量400～450W，制备过程中通入纯度99.99％的高纯氩气，沉积时间为0.8～1.5小时。
而且，热处理时，退火温度为400～500℃，退火时间为20～40分钟。
与现有技术相比，本发明解决了非晶态氧化钒薄膜不透明的问题，经测试，透射率平均值可达50％以上(优选60—85％)，可应用于可见及近红外光学器件。
附图说明
图1为经不同时间热处理之前薄膜样品的XRD衍射图谱(1#～4#样品后来在500℃下分别经20、40、60、80分钟退火处理)。
图2为经过300℃、400℃、500℃退火后样品的XRD图谱(A-300℃，B-400℃，C-500℃)。
图3为不同温度下退火处理后氧化钒薄膜的透射谱(退火时间均为40分钟)。
图4为500℃下经不同时间热处理之后薄膜样品的XRD衍射图谱(1#样品退火时间为20分钟，2#样品退火时间为40分钟，3#样品退火时间为60分钟，4#样品退火时间为分钟80分钟；●V2O5(200)，〇V6O13(200)，◆V2O5(110)，◇V2O5(001)，☆VO2(110)，□V4O9(210)，ΔVO2(-202)，■VO2(111)，▲V6O11(0-34))。
图5为500℃下经不同时间退火处理的氧化钒薄膜形貌((a)20分钟，(b)40分钟，(c)60分钟，(d)80分钟)。
图6为500℃下经不同时间退火处理的氧化钒薄膜透射率。
具体实施方式
以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式详述如下：
实施例1
使用FJL560CI2型超高真空磁控溅射设备制备氧化钒薄膜。溅射靶材选用直径50.9mm厚度3mm的氧化钒靶(纯度达99.99％)；样品基底分别选用光学玻璃和硅片，光学玻璃为长为3cm，宽为3cm的K9双面抛光玻璃片，硅片为单晶硅片；本底真空度：3×10-4Pa，溅射离子源工艺参数：溅射电压200V，溅射束流2A溅射能量400W。溅射镀膜的过程中通入纯度99.99％的高纯氩气作为工作气体。沉积时间为1小时。制备出的氧化钒薄膜再通过KSL1400X型高温退火炉在500℃进行退火处理。退火过程在一个大气压下，空气氛围内，升温速度为4℃/分钟的条件下进行。退火时间是影响和控制氧化钒薄膜结构和性能的主要因素，分别采用20分钟，40分钟，60分钟和80分钟四个值。
实施例2
用Bruker D8 Advance型X射线衍射(XRD)分别测试分析薄膜在退火前(附图1)和退火后(附图2、4)的物相结构；利用SU8010型扫描电子显微镜测试分析样品表面形貌(附图5)，利用UV-3600多功能分光光度计测试分析薄膜的光学性能(附图3、6)。
图1显示，所有样品在退火之前的X射线衍射图谱上没有明显的衍射峰。只是在25度附近有一个“馒头”峰，这主要是由非晶态琉璃基底对X射线温散射引起的结果。这表明，直接沉积得到的薄膜呈非晶态。
图2中图谱上具有明显的衍射峰，说明热处理后薄膜均变为晶态。从图1、2可知，退火处理使氧化钒薄膜样品的X射线衍射图谱上出现明显的衍射峰，说明薄膜结构由非晶态转变为晶态，薄膜经退火处理不同沉积时间后均生成了晶体，这与直接沉积未经退火的薄膜样品呈非晶态有很大差别。在沉积时，由于基体温度较低，参与成膜的原子能量较低，以无序状态到达基底后呈非晶态。退火可改变薄膜的界面张力、表面能及界面能，还会使原子重新排布、重新成键，从而改变薄膜的晶格结构。薄膜经高温退火处理后，V-O键重新结合，从而使薄膜结晶。
图3给出了300、400和500℃下退火40分钟后薄膜的透射谱。为便于对比，也给出了直接沉积得到、未经退火处理的薄膜的透射谱线。可以看到，直接沉积的氧化钒薄膜退火前在近红外区域的透射率都较低，基本不透明，这是由于在直接沉积的薄膜内部，存在少量金属钒，对可见光及近红外光的吸收大，因而透射率低。经300-500℃退火处理后，薄膜的透射率明显得到改善，且退火温度越高，透射率越高。这是因为在较高温度退火过程中，薄膜内的金属成分被氧化，对光的吸收率减小，透射率增大。考虑到基底玻璃对温度的限制，不宜采用更高的退火温度，500℃退火应当是最佳选择。
从图4可以明显看到钒氧化物不同物相的衍射峰，当退火温度为40分钟时，即2#样品中，获得的物相组成相对简单，且具有五氧化二钒相的(001)晶面择优取向。
图5表明，当退火时间为20分钟时，薄膜结构中晶粒较为均匀，但仍然存在一些小孔洞致使组织不致密；退火时间为60分钟时，组织较致密但晶粒大不不均匀；退火时间为80分钟时，晶粒明显长大，且组织中也出现一些小孔洞；而当退火时间为40分钟时，薄膜的晶粒均匀且组织致密度高。图4显示，退火时间为40分钟所得到的薄膜对近红外光的透射率高，最大值达87.5％。
图6给出了经500℃四种不同退火时间处理的晶态薄膜样品在300-1500nm波长范围的透射谱。在可见光区的短波(蓝紫)区域，即500nm以下范围，光透过率很低，最大仅约为5％。随波长增加，在橙红色和近红外光区，透射率逐渐升高。在近红外区域，当波长范围为800-1500nm时，退火时间为20、40、60、80分钟的氧化钒薄膜的透射率平均值分别为63.96％、82.18％、61.94％、52.74％。其中在500℃退火时间为40分钟获得的晶态薄膜具有最大的平均透射率，且当波长为1400nm左右时，最大透射率达87.53％，这种薄膜完全可用于近红外光学器件的透光窗口。
依照本发明内容的记载调整制备工艺参数，均可制备氧化钒薄膜，并表现出与实施例基本一致的性质。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种晶态氧化钒薄膜，其特征在于：利用磁控溅射方法制备出的氧化钒薄膜为原料，在箱式炉中对氧化钒薄膜进行热处理，氧化钒薄膜经退火后自然冷却至室温20～25℃即可得到结构致密均匀的所述的晶态氧化钒薄膜，热处理时用到的箱式炉处于一个标准大气压和室温20～25℃条件的环境中；进行热处理时，自室温20～25℃下以3℃～5℃/分钟的升温速度升温至退火温度，退火温度为300℃～600℃，退火时间为20分钟～80分钟；经测试，薄膜对近红外光的透射率平均值可达50％以上。
2.根据权利要求1所述的一种晶态氧化钒薄膜，其特征在于：制备氧化钒薄膜时，样品基底分别选用光学玻璃或者硅片，光学玻璃为长为3cm，宽为3cm的K9双面抛光玻璃片，硅片为单晶硅片。
3.根据权利要求1所述的一种晶态氧化钒薄膜，其特征在于：制备氧化钒薄膜时，本底真空度3～3.5×10-4Pa，溅射电压200～220V，溅射束流2A，溅射能量400～450W，制备过程中通入纯度99.99％的高纯氩气，沉积时间为0.8～1.5小时。
4.根据权利要求1所述的一种晶态氧化钒薄膜，其特征在于：热处理时，退火温度为400～500℃，退火时间为20～40分钟。
5.一种晶态氧化钒薄膜的制备方法，包括以下过程：利用磁控溅射方法制备出的氧化钒薄膜为原料，在箱式炉中对氧化钒薄膜进行热处理，氧化钒薄膜经退火后自然冷却至室温20～25℃即可得到结构致密均匀的所述的晶态氧化钒薄膜，热处理时用到的箱式炉处于一个标准大气压和室温20～25℃条件的环境中；进行热处理时，自室温20～25℃下以3℃～5℃/分钟的升温速度升温至退火温度，退火温度为300℃～600℃，退火时间为20分钟～80分钟。
6.根据权利要求5所述的一种晶态氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：制备氧化钒薄膜时，样品基底分别选用光学玻璃或者硅片，光学玻璃为长为3cm，宽为3cm的K9双面抛光玻璃片，硅片为单晶硅片。
7.根据权利要求5所述的一种晶态氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：制备氧化钒薄膜时，本底真空度3～3.5×10-4Pa，溅射电压200～220V，溅射束流2A，溅射能量400～450W，制备过程中通入纯度99.99％的高纯氩气，沉积时间为0.8～1.5小时。
8.根据权利要求5所述的一种晶态氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：热处理时，退火温度为400～500℃，退火时间为20～40分钟。
9.根据权利要求1～4之一所述的一种晶态氧化钒薄膜在可见及近红外光学器件中的应用。
10.根据权利要求9所述的一种晶态氧化钒薄膜在可见及近红外光学器件中的应用，其特征在于：薄膜对近红外光的透射率优选为60—85％。
CN201610857558.0A 2016-09-27 2016-09-27 一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用 Pending CN107868943A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610857558.0A CN107868943A (zh) 2016-09-27 2016-09-27 一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610857558.0A CN107868943A (zh) 2016-09-27 2016-09-27 一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107868943A true CN107868943A (zh) 2018-04-03

Family

ID=61761097

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610857558.0A Pending CN107868943A (zh) 2016-09-27 2016-09-27 一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107868943A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113235042A (zh) * 2021-05-12 2021-08-10 哈尔滨工业大学 抗激光损伤混杂vox相的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104928641A (zh) * 2015-07-15 2015-09-23 哈尔滨工业大学 一种氧化硅红外增透氧化钒薄膜的制备方法
CN104961354A (zh) * 2015-06-10 2015-10-07 武汉理工大学 一种高可见光透过率二氧化钒基薄膜的制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104961354A (zh) * 2015-06-10 2015-10-07 武汉理工大学 一种高可见光透过率二氧化钒基薄膜的制备方法
CN104928641A (zh) * 2015-07-15 2015-09-23 哈尔滨工业大学 一种氧化硅红外增透氧化钒薄膜的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张建鹏等: "磁控溅射功率对光学氧化钒薄膜结构和性能的影响", 《中国激光》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113235042A (zh) * 2021-05-12 2021-08-10 哈尔滨工业大学 抗激光损伤混杂vox相的制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nakaruk et al. Anatase–rutile transformation through high-temperature annealing of titania films produced by ultrasonic spray pyrolysis
Eya et al. Influence of thermal annealing on the structural and optical properties of lead oxide thin films prepared by chemical bath deposition technique
CN105018881B (zh) 一种含有v6o13晶体的非晶氧化钒薄膜材料和制备方法
CN104032278A (zh) 一种二氧化钒薄膜制备方法
US11072855B2 (en) Vanadium oxide films and methods of fabricating the same
Rao et al. Growth and characterization of vacuum evaporated WO3 thin films for electrochromic device application
CN102634758A (zh) 高透射率的钒基多层超晶格薄膜及其制备方法
CN105624630A (zh) 一种VOx/M/VOx“三明治”结构薄膜制备VO2的方法及其应用
Liu et al. Effects of addition of tungsten chloride on optical properties of VO2-based thermochromic films prepared by sol–gel method
CN107686973A (zh) 一种钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料及其制备方法
Zhang et al. Fabrication and properties of transparent Tb2Ti2O7 magneto-optical ceramics
CN107868943A (zh) 一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用
Jiao et al. A novel high reflective glass-ceramic ink with Bi2Ti2O7 nanocrystals used for the photovoltaic glass backplane
DE69913906T2 (de) Lichtundurchlässiger Siliziumkarbidwerkstoff hoher Reinheit, ein lichtundurchlässiger Bauteil für eine Halbleiterbehandlungsapparatur, und eine Halbleiterbehandlungsapparatur
CN108796452B (zh) 一种二氧化钒薄膜及其制备方法和应用
Nunes et al. Producing oxygen-rich WO3 thin films by post-deposition thermal annealing
DE102010027063A1 (de) Beschichtung zur Umwandlung von Strahlungsenergie
Sangwaranatee et al. Effect of annealing treatment on sputtered copper oxide thin film
Yadav et al. XRD and FTIR analysis heat treated lithium bismo-borate glasses doped with 1.0 mol% copper ferrite
Eisa et al. Femtosecond pulsed laser induced growth of highly transparent indium-tin-oxide thin films: Effect of deposition temperature and oxygen partial pressure
CN112126895A (zh) 一种二氧化钒单晶薄膜的制备方法
JPH083546A (ja) サーモクロミック材料の製造方法
Santos et al. Enhancing luminous transmittance and hysteresis width of VO2-based thermochromic coatings by combining GLAD and RGPP approaches
CN111593300B (zh) 一种可调透明度锡酸镉红外屏蔽镀层、其生产工艺及应用
CN109599470A (zh) 一种降低掺镁氧化锌薄膜电阻率的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180403